碳化硅分為黑碳化硅和綠碳化硅兩種常見(jiàn)品種，兩者均屬于α-SiC的類型。黑碳化硅含有少量的雜質(zhì)，因此其硬度略低于綠碳化硅，但其耐磨性和導(dǎo)熱性能優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于制造研磨材料、耐火材料等。而綠碳化硅則因純度更高，硬度更大，被廣泛應(yīng)用于高精度加工、電子行業(yè)和太陽(yáng)能光伏領(lǐng)域。碳化硅的這些獨(dú)特屬性使其成為現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的材料。例如，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，碳化硅能夠制作出承受高電壓和高溫的電子器件，這在提高能源效率和降低設(shè)備尺寸方面發(fā)揮著重要作用。此外，由于碳化硅的高熱導(dǎo)性和化學(xué)穩(wěn)定性，它也被廣泛用于高溫結(jié)構(gòu)材料、耐磨材料和航空航天領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，碳化硅在新能源汽車、5G通信技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用也日益增多，預(yù)示著其在未來(lái)科技發(fā)展中將扮演更加重要的角色。同時(shí)，隨著環(huán)保意識(shí)的提高，低碳、環(huán)保的材料日漸受到重視，碳化硅作為一種高效、環(huán)保的新材料，其市場(chǎng)前景無(wú)疑是廣闊的。其中：

碳化硅在禁帶寬度、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、飽和電子 漂移速率、熱導(dǎo)率以及抗輻射等關(guān)鍵參數(shù)方面具 有顯著優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步滿足了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高功率、高 電壓、高頻率的需求。以碳化硅為襯底制成的功率 器件相比硅基功率器件具有優(yōu)越的電氣性能，可以 滿足電力電子技術(shù)對(duì)高溫、高功率、高壓、高頻及 抗輻射等惡劣工作條件的新要求，從而成為半導(dǎo) 體材料領(lǐng)域最具前景的材料之一。未來(lái)，以碳化硅 （SiC）為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體將成為半導(dǎo) 體產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵。

半導(dǎo)體材料目前已經(jīng)發(fā)展至第三代。傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體由于自身物理性能不足以及受限于摩爾定律，逐漸不適應(yīng)于半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展需求，砷化鎵、碳化硅、氮化鎵等化合物半導(dǎo)體也因而誕生。從技術(shù)來(lái)看，半導(dǎo)體材料目前已發(fā)展了三代。第一代半導(dǎo)體材料以傳統(tǒng)的硅（Si）和鍺（Ge）為代表，是集成電路制造的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測(cè)器中，90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是用硅基材料制作的；第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和磷化鎵（GaP）為代表，相對(duì)硅基器件具有高頻、高速的光電性能，廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域；第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）等新興材料為代表。

3.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代 表，與第一代半導(dǎo)體材料硅（Si）相比，擁有更加優(yōu) 異的物理化學(xué)特性，使得碳化硅器件能降低能耗 20%以上、減少體積和重量30%~50%，降低碳排放 量20%以上，實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的高效化、小型化、 輕量化和低耗化。因此，碳化硅電力電子器件將廣 泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、通信雷 達(dá)和航空航天等重要國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍工領(lǐng)域。國(guó)際上 部分國(guó)家在該領(lǐng)域起步早，6英寸碳化硅襯底已經(jīng) 量產(chǎn)，8英寸已研制成功。而國(guó)內(nèi)以4英寸為主，6英 寸尚處在攻關(guān)階段。我國(guó)碳化硅單晶襯底材料長(zhǎng)期 依賴進(jìn)口，其高昂的售價(jià)和不穩(wěn)定的供貨情況大大 限制了國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。目前，中國(guó)有碳化硅 冶煉企業(yè)200多家，年生產(chǎn)能力220多萬(wàn)噸（其中：綠碳化硅塊120多萬(wàn)噸，黑碳化硅塊約100萬(wàn)噸）；加工制砂、微粉生產(chǎn)企業(yè)300多家，年生產(chǎn)能力200多萬(wàn)噸 ，國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)廠商見(jiàn)下表。

表 國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈中的知名企業(yè)

2018年，山西省政府與中電科集團(tuán)達(dá)成戰(zhàn)略合 作關(guān)系，展開全方位合作。通過(guò)吸引上游企業(yè)，形成 產(chǎn)業(yè)聚集效應(yīng)，打造電子裝備制造、三代半導(dǎo)體產(chǎn) 業(yè)生態(tài)鏈，建成國(guó)內(nèi)最大的碳化硅材料供應(yīng)基地。

中國(guó)電科（山西）電子信息科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園項(xiàng) 目包括“一個(gè)中心、三個(gè)基地”：“一個(gè)中心”即中 國(guó)電科（山西）三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心；“三個(gè)基 地”即中國(guó)電科（山西）碳化硅材料產(chǎn)業(yè)基地、中國(guó) 電科（山西）電子裝備智能制造產(chǎn)業(yè)基地、中國(guó)電 科（山西）能源產(chǎn)業(yè)基地。這個(gè)1000畝的產(chǎn)業(yè)園將 串聯(lián)起山西轉(zhuǎn)型綜改示范區(qū)上下游十多個(gè)產(chǎn)業(yè)，帶 動(dòng)山西半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集群迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)中國(guó)碳化 硅的完全自主供應(yīng)。其中，中國(guó)電科（山西）碳化硅 產(chǎn)業(yè)基地一期項(xiàng)目建筑面積2.7萬(wàn)平方米，能容納 600臺(tái)碳化硅單晶生產(chǎn)爐和18萬(wàn)片N型晶片的加工 檢測(cè)能力，可形成7.5萬(wàn)片的碳化硅晶片產(chǎn)能，基地 的粉料合成設(shè)備、單晶生長(zhǎng)設(shè)備都是自主研發(fā)生產(chǎn) 的全國(guó)產(chǎn)化設(shè)備。2020年，碳化硅晶片產(chǎn)量達(dá)3萬(wàn) 余片，市場(chǎng)占有率超過(guò)50%，公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值27,986 萬(wàn)元；2021年，投資大力提升車間的智能化水平， 建設(shè)基于5G技術(shù)的智能化、數(shù)字化車間，各個(gè)生 產(chǎn)環(huán)節(jié)的技術(shù)參數(shù)在中控室一屏可視。該項(xiàng)目目 前成為中國(guó)前三、世界前十的碳化硅生產(chǎn)企業(yè)，可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值10億元。

新能源汽車、工業(yè)電源等應(yīng)用的推動(dòng)，全球 電力電子碳化硅的市場(chǎng)規(guī)模不斷增長(zhǎng)，2020年的 市場(chǎng)規(guī)模達(dá)6億美元。在競(jìng)爭(zhēng)格局方面，行業(yè)龍頭 企業(yè)的經(jīng)營(yíng)模式以IDM模式為主，主要的市場(chǎng)份 額被Infineon、Cree、羅姆以及意法半導(dǎo)體占據(jù)，國(guó) 內(nèi)外廠商的競(jìng)爭(zhēng)差距較大。

在半導(dǎo)體應(yīng)用中，SiC主要用于電力電子器件 的制造。從SiC器件制造流程順序來(lái)看，SiC器件的 制造成本中襯底、外延的成本占比最大，其中SiC 襯底成本占比50%，SiC外延的成本占比25%，這兩 大工序是SiC器件的重要組成部分。在上游原料供 應(yīng)方面，高純石英砂是碳化硅的主要原料之一。因 高純石英砂的制備成本高、加工工藝要求高，因此 目前全球具備批量生產(chǎn)高純石英砂的廠商較少，具體參見(jiàn)下表。

下游需求情況來(lái)看，2018-2019年，受新能源汽車、工業(yè)電源等應(yīng)用的推動(dòng)，全球電力電 子碳化硅的市場(chǎng)規(guī)模從4.3億美元增長(zhǎng)至5.64億美 元，2020年的市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)6億美元。

從全球碳化硅襯底的企業(yè)經(jīng)營(yíng)情況來(lái)看，2018 年美國(guó)CREE公司占龍頭地位，市場(chǎng)份額達(dá)62%，其次 是美國(guó)II-VI公司，市場(chǎng)份額約為16%。總體來(lái)看，在 碳化硅市場(chǎng)中，美國(guó)廠商占據(jù)主要地位。

Wolfspeed, Inc.是北卡羅來(lái)納州的一家公司，成立于1987年。該公司是寬禁帶半導(dǎo)體的創(chuàng)新者，專注于功率和射頻（RF）應(yīng)用的碳化硅和氮化鎵（GaN）材料和器件。公司產(chǎn)品系列包括碳化硅和GaN材料、功率器件和射頻器件，產(chǎn)品面向電動(dòng)汽車、快充、5G、可再生能源和存儲(chǔ)、航空航天和國(guó)防等多種應(yīng)用領(lǐng)域。該公司的材料產(chǎn)品和功率器件應(yīng)用于電動(dòng)汽車，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電源，太陽(yáng)能和交通應(yīng)用。該公司材料產(chǎn)品和射頻器件應(yīng)用于軍事通信、雷達(dá)、衛(wèi)星和電信等領(lǐng)域。

據(jù)各公司官網(wǎng)披露，Wolfspeed投資近10億美元進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)，預(yù)計(jì)在2017-2024間整體產(chǎn)能，將擴(kuò)大30倍；ROHM計(jì)劃在2017年-2024，年間產(chǎn)能擴(kuò)充16倍；II-VI計(jì)劃5年內(nèi)產(chǎn)能擴(kuò)充5-10倍。根據(jù)Yole，全球半絕緣型碳化硅襯底市場(chǎng)出貨量（折算為4英寸）將由2020年的16.56萬(wàn)片增長(zhǎng)至2025年的43.84萬(wàn)片，年復(fù)合增長(zhǎng)率為21.50%。

wolf speed產(chǎn)能釋放計(jì)劃就國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)在建的碳化硅外延項(xiàng)目，對(duì)6英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底拋光片的需求量累計(jì)每年超過(guò) 150 萬(wàn)片。同全球的情況一樣，也面臨供需不匹配的問(wèn)題，因此，襯底以及下游外延片的產(chǎn)能也在持續(xù)擴(kuò)張。天岳先進(jìn)投資20億元建設(shè)上海“碳化硅半導(dǎo)體材料項(xiàng)目”，聚焦于6英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底材料生產(chǎn)，計(jì)劃于2026年達(dá)產(chǎn)且達(dá)產(chǎn)產(chǎn)能為30萬(wàn)片/年，目前，天岳先進(jìn)已獲得13.93億元的導(dǎo)電型碳化硅襯底合同訂單。露笑科技募集資金約25.67億元投資碳化硅項(xiàng)目，計(jì)劃達(dá)產(chǎn)產(chǎn)能為24萬(wàn)片/年，目前，露笑科技已獲得超15萬(wàn)片襯底需求。

表 廠商產(chǎn)能規(guī)劃

2022年，Wolfspeed 宣布計(jì)劃耗資數(shù)十億美元在美國(guó)喬治亞州的查塔姆縣建立世界上最大的碳化硅材料制造工廠。在如今全球范圍最緊迫的挑戰(zhàn)之一：從內(nèi)燃機(jī) (ICE) 技術(shù)轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車 (EV) 技術(shù)。Wolfspeed 創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官約翰·帕爾莫表示，“我們希望我們正在做的事情能夠結(jié)束 ICE 時(shí)代。為了加速轉(zhuǎn)型，更精簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)。就在不久前，Wolfspeed低價(jià)將射頻業(yè)務(wù)賣給半導(dǎo)體設(shè)備和組件供應(yīng)商MACOM，成為目前業(yè)內(nèi)唯一的一家純碳化硅半導(dǎo)體制造商。

碳化硅（SiC）技術(shù)在過(guò)去幾年中取得了顯著的進(jìn)展，尤其是在半導(dǎo)體行業(yè)。碳化硅作為一種高效率、高耐溫和高電導(dǎo)率的材料，為半導(dǎo)體領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能性。與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體相比，SiC半導(dǎo)體在高溫和高電壓環(huán)境下展現(xiàn)出更好的性能，這使得它在電力電子設(shè)備中的應(yīng)用變得極為重要。例如，SiC材料用于電動(dòng)汽車的電源轉(zhuǎn)換器，可以顯著提高能源效率和減小體積。此外，碳化硅在太陽(yáng)能逆變器、高頻通訊系統(tǒng)以及軍事應(yīng)用中也顯示出巨大潛力。

市場(chǎng)展望方面，碳化硅技術(shù)的迅速發(fā)展預(yù)示著其市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)增長(zhǎng)。隨著電動(dòng)汽車和可再生能源領(lǐng)域的不斷擴(kuò)張，對(duì)高效能、高耐用的SiC半導(dǎo)體的需求正日益增加。根據(jù)市場(chǎng)研究，碳化硅半導(dǎo)體的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)顯著增長(zhǎng)。此外，由于其在高溫和高電壓下的優(yōu)越性能，SiC在工業(yè)和電網(wǎng)應(yīng)用中的使用也在不斷擴(kuò)大。盡管碳化硅制造成本相對(duì)較高，但隨著制造技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模化生產(chǎn)，成本預(yù)計(jì)會(huì)逐漸降低，這將進(jìn)一步推動(dòng)碳化硅技術(shù)的市場(chǎng)滲透和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。總的來(lái)說(shuō)，碳化硅技術(shù)在未來(lái)的高科技領(lǐng)域中扮演著越來(lái)越重要的角色，市場(chǎng)前景廣闊。

[1]李景,黃佳,李國(guó)鵬等.國(guó)內(nèi)外碳化硅標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)分析[J].標(biāo)準(zhǔn)科學(xué),2024(01):101-113.